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Previous issue date: 2016-02-23 / This thesis describes the use of self-assembled monolayers (SAM) for the development of biosensors based on horseradish peroxidase enzyme - HRP. In the first chapter, the enzyme was immobilized on self-assembled monolayers of thiolactic acid (Au-TLA) and mixed SAM composed of 11-mercaptoundecanoic acid (MUA) together with the TLA (SAMmix). The steps of construction and characterization of biosensors have been carried out by electrochemical techniques and morphological ones. The enzyme immobilization method on SAM which provided higher stability was by covalent bond. The Au/TLA/HRP biosensor was used for the determination of H2O2 by chronoamperometry, yielding a detection limit (DL) of 5.46 μmol L-1 and quantification (QL) of 18 μmol L-1. Despite the good results for the H2O2 detection presented by this biosensor, the device was stable for only 6 days. Therefore, in order to increase the stability of the biosensor, SAM containing both the mercaptoundecanoic acid molecule (MUA) and TLA was obtained, to the formation of SAMmix (Au/MUA:TLA). In this system, the electron transfer rate can be considerably affected because while the TLA enables an increase of SAMmix conductivity due to formation of “islands”, the MUA provides greater stability for HRP immobilization, although it partially blocks the surface. The biosensor Au-SAMmix-HRP prepared in the ratio 0.5: 1.0 MUA/TLA showed higher sensitivity compared to other modifications ratio, with an apparent Michaelis-Menten constant = 0.40 mmol L-1. This biosensor has been applied to the determination of hydroquinone (HQ) in the presence of a fixed amount of [H2O2] = 0.3 mmol L-1. By differential pulse voltammetry technique (DPV), the biosensor exhibited excellent electrocatalytic activity for HQ in the range 3-30 μmol L-1, with good sensitivity, DL = 1.26 μmol L-1 and QL = 4.23 μmol L -1. The SAMmix increased the stability of the biosensor for at least 15 days, which is more stable when compared to the biosensor Au/TLA/HRP. In the second chapter of this thesis, another strategy was used for immobilization of the HRP enzyme based on the formation of TLA monolayer on the top of gold nanoparticles (AuNPs) stabilized in the inorganic polymer, 3-n-propylpyridinium silsesquioxane chloride (SiPy+Cl-). The presence of AuNPs-SiPy+Cl- was confirmed by UV-Vis spectroscopy from the plasmon band at 521 nm. The AuNps showed good distribution with approximate size between 4-18 nm, evidenced by transmission electron microscopy (TEM) and by dynamic light scattering (DLS), with good stability (ζ = + 38.5 mV). The AuNPs were deposited on the glassy carbon electrode (GCE) and modified with the TLA for immobilization of HRP enzyme. The formation of this biosensor was confirmed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and morphologically by field-effect scanning electron microscopy (SEM-FEG). The GCE/AuNPs/TLA/HRP biosensor was used for the detection of H2O2 with = 0.46 mmol L-1, which was similar to the Au-SAMmix-HRP biosensor. This biosensor has been applied to the determination of catechol (CT) in presence of [H2O2] = 0.03 mmol L-1. Using the DPV technique, the biosensor showed an excellent electrocatalytic activity for CT in the range 6-46 μmol L-1, with good sensitivity, DL = 0.852 μmol L-1 and QL = 2.84 μmol L -1. The stability of this device was approximately 25 days, being superior to other biosensors developed (TLA-HRP and SAMmix-HRP), which can be attributed to the three-dimensional immobilization of HRP molecules in this device. / Esta tese descreve a utilização das monocamadas auto-organizadas (SAM) para o desenvolvimento de biossensores enzimáticos a base da enzima horseradish peroxidase – HRP. No primeiro capítulo, diferentes biossensores foram desenvolvidos utilizando a SAM de ácido tioláctico (Au/TLA) e também a SAM mista composta por ácido 11-mercaptoundecanóico (MUA) juntamente com o TLA (SAMmista). As etapas de construção e caracterização dos biossensores foram realizadas pelas técnicas eletroquímicas e também morfológicas. O método de imobilização da enzima sobre a SAM que proporcionou maior estabilidade foi pela ligação covalente. O biossensor Au/TLA/HRP foi utilizado para a detecção do H2O2 por cronoamperometria, obtendo-se um limite de detecção (LD) de 5,46 μmol L-1 e de quantificação (LQ) de 18 μmol L-1. Apesar dos bons resultados na detecção do H2O2 apresentados por este biossensor, o dispositivo foi estável por apenas 6 dias. Portanto, no intuito de aumentar a estabilidade do biossensor utilizou a molécula de ácido mercaptoundecanóico (MUA) juntamente com TLA, para a formação da SAMmista (Au/MUA:TLA). Neste sistema, a velocidade de transferência eletrônica é sensivelmente afetada, pois enquanto o TLA possibilita o aumento da condutividade da SAMmista devido a formação de “ilhas”, o MUA confere maior estabilidade à monocamada para a imobilização da enzima HRP, apesar de bloquear parcialmente a superfície. O biossensor Au/SAMmista/HRP preparado na razão 0,5:1,0 MUA:TLA apresentou a melhor sensibilidade em comparação as outras modificações, com uma constante de Michaelis-Menten aparente, = 0,40 mmol L-1. Este biossensor foi aplicado na detecção da hidroquinona (HQ) na presença de uma quantidade fixa de [H2O2] = 0,3 mmol L-1. Pela técnica de voltametria de pulso diferencial (VPD), o biossensor exibiu uma excelente atividade eletrocatalítica para HQ na faixa de 3 a 30 μmol L-1, com boa sensibilidade, LD = 1,26 μmol L-1 e o LQ = 4,23 μmol L-1. A SAMmista aumentou a estabilidade do biossensor para 15 dias, sendo este mais estável quando comparado ao biossensor Au/TLA/HRP. No segundo capítulo da tese, outra estratégia para a imobilização da enzima HRP sobre o TLA foi realizada a partir de nanopartículas de ouro (AuNps) estabilizadas no cloreto de 3-n-propilpiridínio silsesquioxano (SiPy+Cl-). A presença das AuNps-SiPy+Cl- foi confirmada pela Espectroscopia UV-Vis a partir da banda plasmon em 521 nm, as quais apresentaram boa distribuição com tamanho aproximado entre 4 a 18 nm, constatado pela microscopia eletrônica de transmissão (MET) e por espalhamento dinâmico de luz (DLS), apresentando boa estabilidade (ζ = + 38,5 mV). As AuNps foram incorporadas sobre o eletrodo de carbono vítreo (ECV) e modificadas com o TLA para imobilização da enzima HRP. A formação deste biossensor foi comprovada pela espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) e morfologicamente pela microscopia de varredura de efeito de campo (MEV-FEG). O biossensor ECV/AuNps/TLA/HRP foi utilizado na detecção do H2O2 com = 0,43 mmol L-1, sendo próxima ao biossensor Au-SAMmista-HRP. Este biossensor foi aplicado na detecção do catecol (CT) na presença de [H2O2] = 0,03 mmol L-1. Pela técnica de VPD, o biossensor exibiu uma excelente atividade eletrocatalítica para CT na faixa de 6 a 46 μmol L-1, com boa sensibilidade, LD = 0,852 μmol L-1 e o LQ = 2,84 μmol L-1. A estabilidade deste dispositivo é de 25 dias, sendo superior aos outros biossensores desenvolvidos (TLA/HRP e SAMmista/HRP) devido a imobilização ocorrer tridimensionalmente aumentando a quantidade de moléculas da TLA e HRP no dispositivo.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:tede2.uepg.br:prefix/10 |
| Date | 23 February 2016 |
| Creators | Mossanha, Rosana |
| Contributors | Pessoa, Christiana Andrade, Vieira, Iolanda Cruz, Bergamini, Marcio Fernando, Tarley, Cesar Ricardo Teixeira, Anjos, Vanessa Egea dos |
| Publisher | UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA, Programa Associado de Pós-Graduação em Química - Doutorado, UEPG, BR, Físico Química, Química Analitica, Química Organica, Química Inorgânica |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UEPG, instname:Universidade Estadual de Ponta Grossa, instacron:UEPG |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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